浅论非饱和结构性土体的动力本构模型研究

《浅论非饱和结构性土体的动力本构模型研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、同济大学土木工程学院博士学位论文非饱和结构性土体的动力本构模型研究姓名：杨超申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：黄茂松;崔玉军20080701摘要结构性与非饱和性是岩土工程中土体的两大主要特性。本文在已有关于原状土体结构性与非饱和性的研究成果的基础上，较为系统地总结了原状土体结构性的产生机理及其对土体力学性能的影响规律，和处于非饱和状态时土体的力学行为，深入探讨了能够模拟非饱和结构性土体在循环荷载下的本构模型；并针对当前非饱和土力学本构理论的研究进行了初步的探索，取得了如下创新性的研究成果：1．以法国高速铁路TGV北线所跨越的非饱和黄土为例，研究其基本

2、土性、湿陷性和结构性及循环变形特性进行了室内试验研究。试验表明，研究的土体呈浅棕色，主要由石英、长石和粘土构成，颗粒呈现棱角形状；土体具有低塑性，低饱和度，低粘土含量，和较高的钙盐含量，处于非饱和状态，吸力值较小；土体呈现较强的结构性：在循环剪切荷载下，土体表现出显著的“滞回"现象，累积轴向应变呈渐进上升趋势；伴随含水量的增大(或吸力的减小)，土体剪切强度减小，变形速率增大。结构性、非饱和性与湿陷性是法国黄土的主要特征。2．基于结构损伤的概念和非饱和土力学，在边界面弹塑性理论框架内，从微观角度分析土体结构性的作用规律，并结合能够比较真实描述非饱和土体湿陷性能

3、的破坏一坍塌屈服曲线，建立了基于Pastor砂土塑性势方程的本构模型M1。验证表明，该模型能够比较准确地描述非饱和结构性土体在单向和循环加载下的累积变形性能，能够反映结构性对土体力学性能的影响；但是，M1模型无法反映加、卸载过程中的土体滞回特性，且参数较多。基于此，采用经典的修正剑桥模型作为的塑性势方程，同时建立了基于可移动映射中心的映射法则，对传统的边界面模型的映射规律进行修正，从而在M1模型的基础上进行改进得到M2模型。对比发现，M2模型不但可以较好地反映非饱和结构性土体在单向和循环荷载下的变形特性，而且也能够真实地预测土体在加、卸载过程中的滞回特性，同

4、时模型参数数目较少。然而，基于微观角度建立土体结构性分析的M1、M2模型，虽然作用机理相对清晰，但是导致模型比较复杂且模型参数难以通过常规的试验进行确定。因此，改进模型M3是从宏观的角度分析土体的结构性，通过屈服面的位置和尺寸的变化建立结构性的衰减规律。经验证发现，摘要M3模型不但能够比较准确地预测法国黄土在循环荷载下的累积变形特性和滞回特性，而且模型相对简单，参数物理意义比较明确，容易采用常规试验进行确定。三个模型M1、M2、M3建模思路统一，当土体的结构性完全丧失、达到饱和状态时，均可退化为饱和重塑土体的临界状态模型。3．基于能量守恒原理获得了非饱和土体

5、的状态变量：有效应力与修正吸力、体应变与饱和度，在对现有模型修正的基础上建立了三轴应力空间中可以反映非饱和土体水、力耦合特性的临界状态本构模型MWM。该模型在各向同性应力平面上定义了曲线型的LC屈服曲线、直线型的SI和SD屈服曲线，并且给出了三条屈服曲线之间的耦合运动规律。通过与现有的模型及试验数据进行对比验证，发现MWM模型能够很好地预测各向同性应力平面上非饱和土体的水、力耦合特性，而且也可以较好地模拟非饱和土体在剪切加载过程中的力学特性。关键词：非饱和土力学；结构性；损伤；循环荷载；边界面；本构模型；室内试验ⅡAbstractSoilsinthegeot

6、echnicalengineeringareusuallycharacterizedbythestructureandunsaturation．Onthebasisofpreviousresearchesaboutthestructureandunsaturationofnaturalsoils，thispaperfirstpresentsasystemadcsummaryaboutthemechanismofsoilstructureanditsinfluenceOilthesoilmechanics．andabouttheunsaturatedsoilm

7、echanics．Thenadiscussionontheconstitutivemodelofunsaturatedstructuredsoilsundercyclicloadingislaidoutintensively．Furthermore，thispaperextendsonepreliminaryexplorationonthecurrenttheoreticalunsaturatedsoilmechanics．111efollowingresultshavebeenachieved：1．Theobjectivesoilsaresampledal

8、ongthenorthTGV(hi曲speedrai